Двигательный аппарат человека

План: 1. ГЕОМЕТРИЯ МАСС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА 2. ЗВЕНЬЯ ТЕЛА КАК РЫЧАГИ И МАЯТНИКИ

ГЕОМЕТРИЯ МАСС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА Геометрией масс называется распределение масс между звеньями тела и внутри звеньев. Геометрия масс количественно описывается масс-инерционными характеристиками. Важнейшие из них масса, радиус инерции, момент инерции и координаты центра масс. Масса (т) это количество вещества (в килограммах), содержащееся в теле или отдельном звене. Вместе с тем масса это количественная мера инертности тела по отношению к действующей на него силе. Чем больше масса, тем инертнее тело и тем труднее вывести его из состояния покоя или изменить его движение. Массой определяются гравитационные свойства тела - вес тела (в Ньютонах)

Масса характеризует инертность тела при поступательном движении. При вращении инертность зависит не только от массы, но и от того, как она распределена относительно оси вращения. Чем больше расстояние от звена до оси вращения, тем больше вклад этого звена в инертность тела. Количественной мерой инертности тела при вращательном движении служит момент инерции:

Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, приводящих тело к поступательному движению и не вызывающих вращения тела. В поле гравитации (когда действует сила тяжести) центр масс совпадает с центром тяжести. Центр тяжести точка, к которой приложена равнодействующая сил тяжести всех частей тела. Положение общего центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. А это зависит от позы, т. е. от того, как части тела расположены друг относительно друга в пространстве. В человеческом теле около 70 звеньев. Но столь подробного описания геометрии масс чаще всего и не требуется. Для решения большинства практических задач достаточно 15-звенной модели человеческого тела (рис. 7). Понятно, что в 15-звенной модели некоторые звенья состоят из нескольких элементарных звеньев. Поэтому такие укрупненные звенья правильнее называть сегментами.

Цифры на рис. 7 верны для среднего человека, они получены путем усреднения результатов исследования многих людей. Индивидуальные особенности человека, и в первую очередь масса и длина тела, влияют на геометрию масс.

где m х масса одного из сегментов тела (кг), например стопы, голени, бедра и т. д.; m масса всего тела (кг); H длина тела (см); В 0, В 1, В 2 коэффициенты регрессионного уравнения, они различны для разных сегментов (табл. 1).

Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где расположены их центры масс, можно решить много важных и практических задач. В том числе: 1)Определить количество движения, равное произведению массы тела на его скорость. 2)Определить кинетический момент, равный произведению момента инерции на угловую скорость ( Jw).

ЗВЕНЬЯ ТЕЛА КАК РЫЧАГИ И МАЯТНИКИ Биомеханические звенья представляют собой своеобразные рычаги и маятники. Как известно, рычаги бывают первого рода (когда силы приложены по разные стороны от точки опоры) и второго рода. Пример рычага второго рода представлен на рис. 9, А: гравитационная сила (F 1 ) и противодействующая ей сила мышечной тяги (F 2 ) приложены по одну сторону от точки опоры, находящейся в данном случае в локтевом суставе. Подобных рычагов в теле человека большинство. Но есть и рычаги первого рода, например голова (рис. 9, Б).

Рычажное устройство двигательного аппарата дает человеку возможность выполнять дальние броски, сильные удары и т. п. Но ничто на свете даром не дается. Мы выигрываем в скорости и мощности движения ценой увеличения силы мышечного сокращения. Например, для того чтобы, сгибая руку в локтевом суставе, перемещать груз массой 1 кг (т. е. с силой тяжести 10 Н) так, как показано на рис. 9, двуглавая мышца плеча должна развить силу Н. Обмен силы на скорость тем более выражен, чем больше соотношение плеч рычага. Именно поэтому длинным веслом труднее грести, чем коротким, бросить тяжелый предмет на дальнюю дистанцию труднее, чем на близкую, и т. д. Об этом знал еще Архимед, руководивший обороной Сиракуз от римлян и изобретавший рычажные приспособления для метания камней.

Руки и ноги человека могут совершать колебательные движения. Это делает наши конечности похожими на маятники. Наименьшие затраты энергии на перемещение конечностей имеют место, когда частота движений на 20 30% больше частоты собственных колебаний руки или ноги: Делая частоту шагов или гребков при ходьбе, беге, плавании и т. п. резонансной (т. е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии. Замечено, что при наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенно повышенную физическую работоспособность. Это полезно учитывать не только при тренировке спортсменов, но и при проведении физкультурных занятий в школах и группах здоровья.

Любознательный читатель может спросить: чем объясняется высокая экономичность движений, выполняемых с резонансной частотой? Это происходит потому, что колебательные движения верхних и нижних конечностей сопровождаются рекуперацией механической энергии (от лат. recuperatio получение вновь или повторное использование). Простейшая форма рекуперации переход потенциальной энергии в кинетическую, затем снова в потенциальную и т. д. (рис. 11). При резонансной частоте движений такие преобразования осуществляются с минимальными потерями энергии. Это означает, что метаболическая энергия, однажды созданная в мышечных клетках и перешедшая в форму механической энергии, используется многократно и в этом цикле движений, и в последующих. А если так, то потребность в притоке метаболической энергии уменьшается.